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Istituto per i Processi Chimico-Fisici
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Area della Ricerca di Pisa
Missione di ricerca nell’ambito del programma di Short-Term Mobility 2009 del CNR
Titolo: Polarizzazione nucleare dinamica ad alti campi magnetici mediante risuonatori aperti ad
elevato fattore di conversione
Fruitore: Giuseppe Annino, Istituto per i Processi Chimico-Fisici, CNR
Relazione sull’attività di ricerca
In accordo con il programma di ricerca proposto, la prima parte della missione ha riguardato uno
studio sperimentale sugli effetti di polarizzazione dinamica nucleare (DNP) in soluzioni a
temperatura ambiente, per campi magnetici di circa 3.4 T, corrispondenti a frequenze di microonda
di circa 95 GHz e radiofrequenze di circa 144 MHz. Il sistema studiato è dato da una soluzione di
radicale nitrossido (4-hydroxy-TEMPO) in acqua, che rappresenta un sistema modello per i
campioni biologici nel loro stato naturale. La strumentazione impiegata è costituita da uno
spettrometro per risonanza magnetica nucleare (NMR) e da uno spettrometro per risonanza
paramagnetica elettronica (EPR). Le due tecniche vengono combinate all’interno dell’elemento
sensibile dell’apparato di misura, rappresentato da una struttura risonante sia alla frequenza di
microonda che alla radiofrequenza. La parte di microonda è data da un risuonatore aperto dielettrico
a singolo modo di tipo non-radiativo [1], all’interno del quale è inserita coassialmente una bobina a
radiofrequenza formata da un sottile filo metallico piegato a forma di ‘u’. Il campione viene a sua
volta inserito nell’incavo della bobina. Caratteristica essenziale di questa struttura a doppia
risonanza è il suo elevato fattore di conversione, definito come il campo magnetico generato per
unità di potenza dissipata, che la rende particolarmente adatta alle applicazioni di DNP. Una
dettagliata descrizione della struttura risonante, dell’apparato nel suo complesso e della della stessa
tecnica di misura è in fase di pubblicazione [2].
Una delle maggiori difficoltà legate alla caratterizzazione di campioni acquosi a frequenze di
microonda è data dalle forti perdite dielettriche di questi sistemi. Tali perdite possono ridurre
drasticamente la sensibilità della misura, riducendo la densità di energia elettromagnetica sul
campione; esse possono inoltre determinare un notevole riscaldamento del campione stesso. Per
evitare questi problemi, le dimensioni del portacampione sono state scelte tenendo conto
dell’assorbimento dielettrico del campione, ottenuto mediante un metodo di calcolo agli elementi
finiti. Per la struttura risonante impiegata, un portacampione di quarzo fuso con diametro interno di
99 m e diametro esterno di 193 m rappresenta un compromesso accettabile tra la quantità di
campione e le relative perdite dielettriche. Il livello ottimale di accoppiamento tra la radiazione
incidente ed il risuonatore è stato determinato sperimentalmente, modificando per passi la
geometria del dispositivo. Un’analisi teorica del livello di accoppiamento è infatti particolarmente
complessa a causa dei numerosi fattori in gioco, quali imperfezioni geometriche, qualità delle
superfici, conducibilità del materiale, e così via.
Lo spettro a microonde della struttura risonante è riportato in Fig. 1 per diverse condizioni di
misura. La curva b della figura mostra la risonanza del dispositivo caricato con il portacampione
vuoto, la curva c la risonanza nel caso di portacampione riempito d’acqua. La curva a rappresenta
infine la linea di base, ovvero l’andamento della potenza delle microonde in assenza di risonanza. Il
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fattore di merito non caricato della risonanza è dato da Q0=2100 nel caso b. Tale grandezza scende
a Q0,s=1600 nel caso di risuonatore caricato con campione, a cui corrisponde un fattore di
conversione di Bmicr  1.51 mT/W1/2 [2], che rappresenta lo stato dell’arte per questi dispositivi.
Come richiesto, il picco di risonanza è molto pronunciato nelle condizioni di misura della DNP
(curva b). Ciò indica in particolare che tutta la potenza delle microonde viene in pratica assorbita
dal dispositivo risonante.
Il campione inizialmente studiato è dato da una soluzione di TEMPO in acqua ultra pura con
concentrazione 10 mM. Lo spettro EPR in onda continua di tale campione è mostrato in Fig. 2. Le
tre righe rappresentano lo splitting iperfine generato dall’interazione dell’elettrone spaiato del
radicale con il momento magnetico nucleare I=1 dell’azoto 14N.
Fig. 1. a) Andamento della potenza delle microonde in assenza di risonanza. b) Curva di risonanza
del risuonatore caricato con il portacampione vuoto. c) Curva di risonanza nel caso di
portacampione riempito d’acqua.
Il segnale 1H NMR del campione è stato ottenuto mediante la tipica tecnica a impulsi, in cui si

osserva il free induction decay (FID) della magnetizzazione nucleare dopo un impulso
di
2
radiofrequenza. La lunghezza di tale impulso era pari a 2 s nel nostro caso. Il periodo tra due
impulsi di radiofrequenza è stato fissato a 5 s, in modo da permettere un completo rilassamento
degli spin nucleari. Le curve in Fig. 3 mostrano lo spettro ottenuto dalla trasformata di Fourier del
segnale di FID, fissando il campo magnetico in corrispondenza della linea EPR di più basso campo,
con e senza irraggiamento di microonda. La curva con il picco positivo è stata acquisita senza
microonda, quella con il picco negativo inviando al risuonatore 140 mW di microonda per 4 s prima
dell’impulso di radiofrequenza. Nell’apparato impiegato, la risoluzione spettrale è limitata dalle
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inomogeneità di campo magnetico statico, dovute sia alla presenza della testa di misura che alle
imperfezioni dello stesso magnete. Un aumento di risoluzione può essere ottenuto attraverso una
progettazione mirata dell’apparato di misura.
8
Signal (arb. un.)
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
33780
33800
33820
33840
33860
Magnetic field (Gauss)
Fig. 2. Spettro EPR in onda continua per una soluzione di TEMPO in acqua con concentrazione di
10 mM. Parametri di misura: potenza 150 W, modulazione 1.5 G a 100 Hz.
L’effetto dell’irraggiamento con microonde è quello di invertire ed amplificare il segnale NMR.
Questo comportamento è tipico della DNP basata sull’effetto Overhauser [3], con accoppiamento
dipolare tra spin elettronico e nucleare [4]. L’accoppiamento dipolare è in effetti l’accoppiamento
dominante per il radicale nitrossido in soluzioni acquose [5]. Il guadagno di segnale prodotto dalla
DNP nel caso in esame è pari a -43; tale valore può essere paragonato a quello più elevato riportato
finora in letteratura in analoghe condizioni di misura, pari a -20 [6].
L’andamento del guadagno generato dalla DNP in funzione della potenza delle microonde è
riportato in Fig. 4, in cui i punti rappresentano i dati sperimentali e la curva una funzione di fit
ottenuta utilizzando espressioni classiche per la DNP in soluzione [5, 7]. L’andamento della curva
di fit suggerisce che guadagni di segnale superiori a quelli osservati possono essere ottenuti
utilizzando una maggiore potenza di microonda.
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0.0
no DNP
140 mW
Signal (arb. un.)
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-30
-20
-10
0
10
20
30
Frequency (KHz)
Fig. 3. Spettro 1H NMR di una soluzione 10 mM di TEMPO in acqua, acquisito senza
irraggiamento con microonde (linea nera) e con 140 mW di irraggiamento con microonde (linea
rossa).
L’analisi della struttura del risuonatore a doppia frequenza utilizzato nelle misure mostra inoltre che
il guadagno ottenuto non è quello reale associato al campione in esame, ma un valore
significativamente più basso. Ciò è causato dalla differente lunghezza della zona attiva del
risuonatore a microonda rispetto alla bobina a radiofrequenza [2]. Il segnale di DNP è generato in
particolare da una frazione del campione, mentre il segnale NMR standard viene generato da tutto il
campione. Una nuova versione di risuonatore in grado di fornire in modo diretto il reale guadagno
di DNP è attualmente in fase di sviluppo.
L’analisi di soluzioni con diversa concentrazione ha mostrato che, per le condizioni di misura
utilizzate, il guadagno massimo si ottiene per una concentrazione di 10 mM. In modo analogo,
l’utilizzo di solventi diversi dall’acqua pura, in particolare soluzioni di acqua e diossano, ha
prodotto minori guadagni di DNP.
Il valore di guadagno di DNP ottenuto nella soluzione 10 mM di TEMPO in acqua pura appare
sorprendente, poichè oltre ad essere molto più elevato di quanto riportato finora in letteratura, è
considerevolmente superiore anche a quanto previsto dai modelli teorici classici [4], come pure da
recenti simulazioni di dinamica molecolare [8], che prevedono guadagni massimi pari a circa -25
per le condizioni di misura in esame. Una possibile ragione di tali risultati è un aumento di
temperatura del campione dovuto all’irraggiamento a microonde, che a sua volta facilità il
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trasferimento di polarizzazione dagli elettroni ai nuclei. Un’altra possibile ragione è il valore
estremamente elevato di campo magnetico di microonda che si ottiene sul campione, per il quale le
descrizioni classiche possono risultare inadeguate. La verifica di queste ipotesi è attualmente in
corso.
0
Enhancement 
-10
-20
-30
-40
-50
1
10
100
Power (mW)
Fig. 4. Andamento del guadagno generato dalla DNP in funzione della potenza delle microonde, per
una soluzione 10 mM di TEMPO in acqua. I punti rappresentano i dati sperimentali, la curva una
funzione di fit ottenuta utilizzando espressioni classiche per la DNP in soluzione (si veda il testo).
La seconda parte della missione ha riguardato lo sviluppo di un risuonatore aperto a onda
millimetrica ed elevato fattore di conversione, per DNP a campi di 10 T. La corrispondente
frequenza di risonanza del dispositivo è quindi di circa 280 GHz. I risultati positivi ottenuti a 3.4 T
hanno suggerito di utilizzare un approccio alla progettazione del risuonatore simile a quello
utilizzato a tali campi. In linea di principio, la struttura del risuonatore a 280 GHz può essere
ottenuta da quella a 95 GHz, riscalando le dimensioni in modo inversamente proporzionale alla
frequenza. Adottando questo criterio, si otterrebbe un dispositivo a singolo modo con diametro pari
a circa 0.5 mm e lunghezza pari a circa 0.35 mm.
L’importanza di utilizzare risuonatori dalle dimensioni il più possibile ridotte deriva dal fatto che,
minimizzando il volume, si aumenta di norma il fattore di conversione. D’altro canto, tale fattore
aumenta anche con la frequenza di risonanza [9]. Nel passaggio da 95 GHz a 280 GHz ci si aspetta
un notevole aumento di efficienza del dispositivo; diventa quindi accettabile utilizzare risuonatori
con volume attivo superiore a quello minimo. Tale scelta ha il vantaggio di semplificare la
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realizzazione del risuonatore. Per ragioni analoghe, la parte dielettrica del risuonatore utilizzato a 95
GHz è stata eliminata nella versione a più alta frequenza.
La geometria proposta per il risuonatore a 280 GHz e per la sua eccitazione è mostrata in Fig. 5a. In
questa figura, la parte ombreggiata rosa corrisponde alla regione del risuonatore accessibile alla
radiazione, mentre la parte ombreggiata azzurra rappresenta i pistoni mobili che permettono di
accordare la frequenza di risonanza a quella della radiazione incidente [10]. La Fig. 5b mostra la
distribuzione del campo magnetico assiale del modo di risonanza TE015, nella parte di sezione
assiale del risuonatore alla destra dell’asse di simmetria. Il modo ha invarianza rotazionale attorno a
tale asse. La sua frequenza di risonanza è pari a 280 GHz assumendo un diametro di 1.6 mm ed una
distanza tra i pistoni di 4.5 mm.
E
Fig. 5. a) Geometria proposta per il risuonatore a 280 GHz e per la sua eccitazione. La zona
ombreggiata rosa corrisponde alla regione del risuonatore accessibile alla radiazione, la zona
ombreggiata azzurra rappresenta i pistoni mobili. b) Distribuzione del campo magnetico assiale per
il modo di risonanza TE015, nella parte di sezione assiale del risuonatore alla destra dell’asse di
simmetria.
Il fattore di merito non caricato atteso per una struttura di questo tipo è superiore a 3000, secondo
quanto ottenuto in misure preliminari su dispositivi simili [10]. L’inserimento del campione
comporta una diminuzione di fattore di merito a causa delle perdite dielettriche del campione stesso.
Tale diminuzione può essere particolarmente rilevante nel caso dei campioni di interesse per questo
studio, ovvero per le soluzioni acquose a temperatura ambiente. Anche in tal caso, le dimensioni del
portacampione sono state scelte in modo da non penalizzare eccessivamente il fattore di merito del
dispositivo. Un compromesso accettabile è dato da un portacampione di quarzo fuso avente
diametro esterno pari a 200 m e diametro interno pari a 80 m. Tenendo conto della permettività
complessa dell’acqua a queste frequenze, dell’ordine di 5.2-i*5.3 [11], ci si aspetta, in accordo alla
modellizzazione numerica, un fattore di merito pari a 1500. L’andamento del campo magnetico
assiale nel caso di risuonatore caricato dal campione è mostrato in Fig. 6. Come atteso, la parte ad
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alta costante dielettrica tende focalizzare il campo magnetico [12], aumentando l’efficienza di
conversione del dispositivo.
Fig. 6. Andamento del campo magnetico assiale per il risuonatore di Fig. 5 caricato dal campione
acquoso.
Riferimenti
[1] Annino, G., Cassettari, M., Martinelli, M.: Rev. Sci. Instrum. 76, 084702 (2005)
[2] Annino, G., Villanueva-Garibay, J. A., van Bentum, P. J. M., Klaassen, A. A. K., Kentgens, A.
P. M., accettato per la pubblicazione su Appl. Magn. Reson.
[3] Overhauser, A. W.: Phys. Rev. 92, 411 (1953)
[4] Hausser, K. H., Stehlik, D.: Adv. Magn. Reson. 3, 79 (1968)
[5] Armstrong, B. D., Han, S.: J. Chem. Phys. 127, (2007)
[6] Hofer, P., Parigi, G., Luchinat, C., Carl, P., Guthausen, G., Reese, M., Carlomagno, T.,
Griesinger, C., Bennati, M.: J. Am. Chem. Soc. 130, 3254 (2008)
[7] Wind, R. A., Ardenkjaer-Larsen, J. H.: J. Magn. Reson. 141, 347-354 (1999)
[8] Sezer, D., Prandolini, M. J., Prisner, T. F.: Phys. Chem. Chem. Phys. 11, 6626-6637 (2009)
[9] Annino, G., Cassettari, M., Martinelli, M.: IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 57, 775-783
(2009)
[10] Annino G., Fittipaldi M., Martinelli M., Moons H., Van Doorslaer S., Goovaerts E.: J Magn.
Reson. 200, 29-37 (2009)
[11] Ellison W. J., Lamkaouchi K., Moreau J.-M.: J. Mol. Liquids 68, 171-279 (1996)
[12] Poole, C. P.: Electron Spin Resonance: a Comprehensive Treatise on Experimental
Techniques. Wiley, New York (1983)
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Pisa, 26 ottobre 2009
Il proponente del Programma
Dott. Luca Pardi
Il fruitore del Programma
Dott. Giuseppe Annino
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